Управление техническими системами

Рисунок 9 - Частотные характеристик звеньев: а- амплитудно-частотная; б - фазово-частотная; в - амплитудно-фазовая

Фазово-частотная характеристика выражает зависимость разности фаз между входными и выходными колебаниями звена от частоты входного сигнала (Рисунок 9, б):

ц = f(щ), [1.20]

где ц - фазовый угол. Опережению фазы соответствует ц>0, а отставанию ц<0.

В теории автоматического регулирования используют комплексную амплитудно-фазовую характеристику (Рисунок 9, в), в которой дают соотношения между амплитудами выходного и входного сигналов и сдвигом фаз при изменении частоты колебаний входного сигнала от 0 до ?:

W (jщ) = Авых/Авх= Авыхej(щt+ц)/Авхejщt= Авыхejц/Авх= А(щ)ejц(щ), [1.21]

где Авыхej(щt+ц); Авхejщt - соответственно выходной и входной сигналы в символической форме записи.

Существует показательная форма записи:

W (jщ) = А(щ)еjц(щ) [1.22]

Величина А (щ) - изменение отношения амплитуд выходного сигнала к входному, а ц (щ) - изменение фазы колебаний на выходе звена относительно колебаний на входе, происходящих с изменением частоты входного сигнала.

Логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ) L (щ) называют зависимость модуля частотной характеристики от частоты, представленную в логарифмическом масштабе. Логарифмической фазово-частотной характеристикой (ЛФЧХ) называют зависимость аргумента частотной характеристики от логарифма частоты.

Для построения ЛАЧХ от выражения амплитудно-фазовой характеристики вида

W (jщ) = А(щ)еjц(щ)

переходят к выражению

L (щ) = 20 lg |W (щ)|= 20 lg A (щ), [1.23]

где L (щ) -- в децибелах.

При построении ЛФЧХ по оси ординат откладывают углы в градусах или радианах, по оси абсцисс - частоту со в логарифмическом масштабе в декадах.

4. Необходимым условием работоспособности системы автоматического регулирования является ее устойчивость. Под устойчивостью понимают свойство системы восстанавливать состояние равновесия, из которого она была выведена под влиянием возмущающих факторов, после прекращения действия этих факторов.

На практике для определения устойчивости САР используют критерии устойчивости, т.е. правила, с помощью которых можно определить, устойчива система или не, не прибегая к решению дифференциальных уравнений.

Алгебраический критерий (Рауса-Гурвица) позволяет судить об устойчивости замкнутой системы по коэффициентам ее характеристического уровня, которым является знаменатель передаточной функции. Необходимые и достаточные условия устойчивости определяются различными соотношениями коэффициентов в зависимости от порядка системы.

Критерий устойчивости Михайлова основан на связи характера переходного процесса системы с амплитудой и фазой вынужденных колебаний, устанавливающих в системе при синусоидальном воздействии. Анализ устойчивости системы этим методом сводится к построению по характеристическому многочлену замкнутой системы (знаменатель передаточной функции) комплексной частотной функции, по виду которой можно судить об устойчивости.

Критерий устойчивости Найквиста позволяет судить об устойчивости замкнутой системы САР по амплитудно-фазовой характеристике. Замкнутая система будет устойчива в том случае, если устойчива замкнутая система и ее амлитудно-фазовая характеристика не охватывает точку с координатами (-1, j0), называемую критической. При отсутствии местных обратных связей разомкнутая система всегда устойчива, если состоит из устойчивых звеньев. При наличии местных обратных связей система может оказаться неустойчивой в разомкнутом состоянии.

Устойчивость по логарифмическим частотным характеристикам определяют с использованием критерия устойчивости Найквиста. Замкнутая система устойчива, если на частоте щ, для которой ц=-р, ордината ЛАЧХ разомкнутой системы отрицательна, т.е. L(щ)<0. Если разомкнутая система устойчива, а ЛАЧХ пересекает линию -р в нескольких точках, то замкнутая система будет устойчивой, когда L(щ)<0 при ц=-р для конечной правой из точек пересечения.

Для определения устойчивости системы используют приближенную ЛАЧХ, представляющую собой ломаную линию, отдельные участки которой имеют определенный наклон.

1.3 Системы автоматического контроля. Автоматизация контрольных измерений в машиностроении

1. Структура САК, основные понятия.

2. Классификация систем автоматического контроля.

3. Системы пассивного контроля. Автоматические сортировщики

4. Системы активного контроля. Контрольно-измерительные машины.

1. Для обеспечения требуемого качества дет талей и изделий (точность размеров, геометрическая, форма, параметр шероховатости поверхности и т. д.) применяют комплексный контроль, включающий в себя контроль: готовых изделий, заготовок, вспомогательных средств производства (режущего инструмента, измерительных средств и т. д.), основных средств производства (технологического оборудования, систем и средств управления и т. д.).

Система автоматического контроля (САК) предназначена для автоматического контроля различных физических величин (параметров), сведения о которых необходимы при управлении объектом. Всякая система состоит из элементов, узлов и устройств, оределенную функцию; следовательно, систему автоматического контроля можно представить схематически ( Рисунок 10)

Рисунок 10 - Функциональная схема САК

Датчик (Д) измеряет значение контролируемого параметра объекта (О) и преобразует его в сигнал, удобный для усиления или передачи. Наибольшее применение находят датчики, преобразующие неэлектрическую величину в электрическую.

Усилитель (У) - устройство, усиливающее слабый сигнал, поступающий от датчика, так, что он становится достаточным для воздействия на исполнительный элемент.

Исполнительный элемент (ИЭ) - устройство, посредством которого выполняются заключительные операции.

Элементы передачи и связи - устройства, обеспечивающие передачу сигналов от датчика до исполнительного элемента.

В состав систем автоматизации производственных процессов входят дополнительные элементы, не участвующие в преобразовании информации, а обеспечивающие данное преобразование. К ним относятся источники энергии, стабилизаторы, переключатели и др.

В зависимости от вида исполнительного элемента автоматический контроль разделяют на четыре основные группы:

- автоматическая сигнализация характерных или предельных значений параметров; сигнализирующее устройств (СУ) - это лампочки, звонок, сирена;

- автоматическое указание значений контролируемых параметров; указывающий прибор (ПУ) может быть стрелочным, цифровым;

- автоматическая регистрация значений контролируемого параметра; регистрирующее устройство (РУ) - это самописец;

- автоматическая сортировка различных изделий в зависимости от заданных значений контролируемых параметров (ПС - прибор сортирующий).

Система автоматического контроля не вмешивается в ход протекания технологического процесса.

2. В зависимости от вида, стоимости и требований, предъявляемых к точности изготовления деталей, контроль может быть полным, когда проверяются все изделия, и выборочным, когда проверяется часть деталей.

По принципу действия различают:

- системы пассивного контроля, представляющие собой системы автоматического контроля (САК), задача которых получить необходимые сведения об управляемом объекте или параметрах технологического процесса (система не изменяет параметров технологического процесса во время обработки, т.е. ведет себя пассивно);

- системы активного контроля, которые представляют собой системы автоматического регулирования (САР), задача их не только измерять необходимые величины, но и поддерживать их заданное значение во время технологического процесса.

В настоящее время системы активного контроля организуют в большинстве случаев по принципу адаптивного управления, т. е. управление технологическим процессом ведут совместно с ЧПУ и САК, задача которой на основании сведений, полученных от автоматических устройств, менять программу управления, тем самым восстанавливая отклонившиеся величины.

По назначению различают следующие системы автоматического контроля: технологических параметров в процессе обработки; параметров готовых изделий (контроль качества продукции); состояния оборудования и систем управления; состояния инструмента, оснастки и т. д.; программного и информационного обеспечения (сбор сведений, обработка сведений, систематизация и т. д.).

3. Системы автоматического пассивного контроля различаются:

- аппаратными средствами и способами организации контроля; разновидностями и способами контактирования с измеряемыми величинами (прямое контактирование, косвенное, контактирование в рабочей позиции, в измеряемой позиции и т. д.);

- видами датчиков, применяемых для измерения величин (индуктивные, пневматические, фотоэлектрические, тензометрические, оптоэлектронные);

- способами организации измерительной системы и средствами обработки полученной информации (измерение, дискретное, измерение методом сравнения с заданным значением, измерение с преобразованием аналогового сигнала в числовой код и т. д.);

- видами индикаторов и средствами отображения информации измерений (стрелочные индикаторы, цифровые, символьные, сегментные отображения информации на ЭЛТ и т. д.);

- способами хранения и регистрации данных (регистрация на бумажных лентах в виде диаграмм, графиков, регистрация посредством печатающих устройств, регистрация с записью в ЗУ).

Системы пассивного автоматического контроля могут иметь также различные способы организации контроля: непосредственно во время технологического процесса (постоянный или поэтапный) и полученных результатов.

Рисунок 11- Система пассивного автоматического контроля

На рисунке 11 показана одна из структурных схем системы пассивного автоматического контроля. Система включает в себя: дифференциальный индуктивный размерный датчик 1; электронный блок (ЭБ), имеющий электронный усилитель и преобразователь; указывающий прибор, выполненный в виде электронного цифрового индикатора (ЭЦИ) и исполнительного реле. Датчик имеет два Ш-образных сердечника (4), закрепленных с помощью плоских пружин на корпусе датчика. На сердечниках расположены две обмотки (W1W3), которые совместно с полуобмотками трансформатора (W2W4,) представляют собой уравновешенный измерительный мост, в диагонали которого подключено питающее напряжение от сети переменного тока (Un).

Измерительный шток датчика 2 подвешен посредством плоских пружин 3 к корпусу.

На штоке закреплен якорь сердечника 5. Вращением микрометрического винта 8 сердечники перемещаются относительно якоря. Если размеры детали до обработки превышают пределы измерения датчика, то ограничительная гайка 6, установленная на штоке, с помощью угольника 7 отодвигает сердечник от микрометрического винта (зона отсутствия измерений).

Принцип действия САК состоит в следующем. При контактировании измерительного штока с измеряемой поверхностью якорь средечника отклоняется от среднего положения, что вызывает дисбаланс моста (сигнал рассогласования) вследствие неравенства зазоров между якорем и сердечником. Напряжение рассогласования моста, усиленное и преобразованное в электронном блоке в цифровой код, индицируется на ЭЦИ в виде значения отклонения размера. При балансе моста электронный блок формирует сигнал на прекращение обработки с помощью исполнительного реле.

Рисунок 12 - Схема автосортировщика

В массовых видах производства применяются для контроля изделий или деталей применяют всевозможные пассивные средства контроля, работающие как автоматические сортировщики. Они не только измеряют размер или его отклонения, но и по результатам измерений дают оценку: годная деталь с допустимыми отклонениями; негодная с отклонениями, которые можно исправить; бракованная. Такие автоматические сортировщики, кроме измерительной системы, имеют исполнительные механизмы подачи детали на измеряемую позицию, ее фиксацию и механизмы, распределяющие детали по накопителям упомянутых позиций.

Большинство автоматических сортировщиков имеют следующую функциональную структуру (Рисунок 12); бункер-накопитель (БН1) или магазин-накопитель для хранения контролируемых деталей; механизм подачи, базирования деталей на измеряемой позиции (МПД) систему автоматического контроля (САК) с индикацией и сигнализацией о браке и недопустимых отклонениях (СИУ), распределительное устройство (РУ), которое распределяет детали (Д) по бункерам-накопителям (А - бункер годных деталей, Б бункер для деталей "исправимый брак" В - бункер деталей "брак").

4. С развитием микропроцессорной и микроэлектронной измерительной техники многие задачи автоматизации контроля в машиностроении решаются на новом техническом уровне с учетом новых достижений в технике.

САК параметров технологического процесса или автоматического контроля качества готовых изделий на базе развития микроэлектронной техники и средств вычислительной техники стали составной частью САУ и встраиваются непосредственно в технологические объекты или технологические комплексы.

Измерительные машины изготовляют в виде промышленных роботов автоматического контроля, которые оснащены измерительными средствами, управляющими программами. САК СЧПУ выполняют как координатно-измерительные машины (КИМ), которые могут быть автономными или могут встраиваться в технологический комплекс.

Рисунок 13 - Структурная схема КИМ

На рисунке 13 показана структурная схема координатно-измерительной системы, состоящей из измерительного стола, который свободно перемещается по трем координатам X, Y, Z. На столе с помощью приспособления устанавливается контролируемое изделие. На неподвижной части относительно стола устанавливается измерительное устройство, фиксирующее положение измеряемой поверхности в виде калибра, щупа. Перемещение измерительного стола относительно фиксируемой позиции измеряется размерными датчиками (РД), которые ведут отсчет перемещения посредством оптической измерительной шкалы (ИШ). Сигналы датчика в виде импульсов, число которых пропорционально перемещению, подаются в операционное устройство (ОУ), где преобразуются в сигналы индикации (операционное устройство в своем ЗУ может сравнивать заданное значение с измеренным и вычислять отклонение). Обработанный в операционном устройстве сигнал подается на цифровое индицирующее устройство (ЦИУ), где в цифровом коде индицируется измеряемая величина или ее отклонение.



Раздел 2. Измерительные преобразователи систем (датчики)

2.1 Классификация и характеристики датчиков

1. Определение и классификация датчиков

2. Виды электрических датчиков

3. Преобразующие устройства

1. Автоматизация производственных процессов может успешно осуществляться только при наличии современных технических средств, создание которых должно базироваться на новейших достижениях науки и техники. К этим средствам автоматики можно отнести датчики, преобразователи, усилители, задающие устройства, исполнительные органы и т. д.

Метрологические характеристики датчиков определяют приведенные ниже основные параметры.

Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины

у = f (х), [2.1]

где х - входная величина; у -- выходная величина.

Чувствительность датчика - отношение приращения выходной величины к приращению входной величины

S = Ау/Ах [2.2]

Порог чувствительности датчика - наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе. Этот параметр связан с зоной нечувствительности, т. е. зоной, в пределах которой при наличии входного сигнала на выходе датчика сигнал отсутствует.

Инерционность датчика - время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине.

Классификация датчиков:

По характеру получения сигнала от измеряемой величины датчики разделяют на параметрические, в которых изменение измеряемой величины вызывает изменение какого-либо параметра (например, изменение сопротивления, давления, индуктивности, и генераторные, у которых изменение измеряемой величины вызывает генерацию сигнала (появление термо-ЭДС, фототока).

По характеру зависимости выходного сигнала от входного различают датчики:

- пропорциональные (сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине);

- нелинейные (сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе);

- релейные, в которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно;

- циклические, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине или нелинейно зависит и повторяется циклически;

- импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов (импульсов), число которых пропорционально измеряемой величине.

По виду преобразования сигналов датчики могут быть:

· электроконтактные, где механическая сила преобразуется в электрический сигнал;

· индуктивные, у которых изменение магнитной проницаемости вызывает изменение индуктивности;

· фотоэлектрические, в которых световой сигнал преобразуется в электрический; тензометрические, в которых механическая сила вызывает изменение сопротивления;

· гидравлические, в которых механические силы преобразуются в гидравлический сигнал, и т. д.

По назначению в системах автоматического управления датчики можно разделить на датчики пути и положения, скорости, силовые, углового положения или угла рассогласования и т. д. Так как датчики можно рассматривать как составные элементы систем управления, удобнее их классифицировать по назначению.

2. Датчики пути и положения рабочих органов обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от пройденного пути или положения рабочих органов управляемого объекта.

Рисунок 14 - Электроконтактный датчик

Электроконтактные датчики представляют собой конечные, путевые выключатели, микропереключатели (Рисунок 14). У датчиков имеются штоки или рычаги 2, которые воздействуют через механизм передачи на контакты 1. Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавливают на неподвижных частях рабочих органов в определенном положении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплены кулачки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание.

Рисунок 15 - Схемы индуктивных датчиков: а - с подвижным якорем; б - с подвижным сердечником

Индуктивные датчики. Принцип их действия основан на изменении индуктивности катушки с подвижным якорем вследствие изменения магнитной проницаемости. Индуктивные датчики, как и электроконтактные, можно использовать как датчики пути или положения и как размерные (Рисунок 15). В датчике (Рисунок 15, а) якорь 1 перемещается.

Индуктивный дифференциальный датчик (Рисунок 15, б) состоит из двух катушек 2, 4 на которых расположены обмотки, подключаемые по дифференциальной схеме . В катушках расположен сердечник 3, соединенный с измерительным штоком 1, который контактирует с измеряемой поверхностью.

Рисунок 16 - Схема вращающегося трансформатора

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы. На статоре и роторе вращающегося трансформатора размещены по две распределенные обмотки, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны (Рисунок 16). Ротор вращающегося трансформатора может поворачиваться на некоторый угол, произвольный по отношению к статору.

Принцип действия вращающегося трансформатора основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте ротора. В качестве датчиков угла используют синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых зависимость коэффициентов взаимоиндукции от угла поворота ротора носит характер синусоиды и косинусоиды, и линейные вращающиеся трансформаторы (Л ВТ), у которых указанная зависимость, линейная.

В зависимости от схемы включения выходным сигналом вращающегося трансформатора может быть амплитуда переменного напряжения или угол сдвига фаз между напряжениями. Соответственно этому режим работы вращающегося трансформатора называется амплитудным, или режимом фазовращателя.

Наибольшее распространение из вращающихся трансформаторов с электрической редукцией получили редуктосины и индуктосины.

Рисунок 17 - Линейный индуктосин: а) внешний вид; б) схема соединения обмоток

Линейный индуктосин (Рисунок 17) состоит из набора измерительных шкал 1 и ползуна 2, монтируемых на рабочих органах. Измерительная шкала индуктосина укреплена на неподвижной части и представляет собой стальную линейку, на которой на соответствующую изолирующую подложку печатным способом нанесена зигзагообразная обмотка с шагом 2 мм. Ползун 2, укрепленный на подвижной части, является якорем и состоит из двух таких же, но более коротких обмоток, сдвинутых на 1/4 шага относительно друг друга. На выходе обмоток якоря индуцируется циклический сигнал. Число циклов определяется числом пройденных шагов. В промышленности применяют также круговые индуктосины.

Фотоэлектрические датчики (Рисунок 18) представляют собой обычное фотореле, установленное на рабочих органах в определенном положении. Движущийся рабочий орган (ДРО), переместившись в установленное положение, экраном прерывает поток света Ф, вызывая срабатывание фотореле (ФР). В промышленности применяют также размерные фотоэлектрические датчики. Размерный датчик (Рисунок 18, б) состоит из диска, который соединен с ДРО.

На диске нанесены штрихи или прорези с определенным шагом t. При движении рабочего органа штрихи на диске прерывают световой поток Ф, вызывая срабатывание фотореле.

Рисунок 18 Схемы фотоэлектрических датчиков: а) пути и положения; б) размерного

Измеренное перемещение

AL = nt,

где п -- число срабатывания фотореле; t -- цена деления шага. Имеются датчики, у которых в качестве измерительных шкал применяют линейки с нанесенными штрихами.

Рисунок 19 - Схема гидравлического датчика

Гидравлические датчики представляют собой обычный управляющий гидрораспределитель поршневого или кранового типа (Рисунок 19). Принцип их действия основан на том, что движущиеся рабочие органы, на которых размещены кулачки или упоры 1, достигнув положения, где установлен датчик, воздействуют на него, вызывая сбрасывание. Управляющий гидрораспределитель обеспечивает сигнал исполнительному органу (гидродвигателю).

Рисунок 20 - Пневматический датчик

Пневматические датчики аналогично гидравлическим выполнены в виде пневмораспределителей кранового типа (Рисунок 20), дросселей или клапанов. Широкое распространение получили размерные пневматические дифференциальные датчики мембранного и сильфонного типа с электроконтактным выходом.

Датчики углового положения создают управляющий сигнал в зависимости от углового положения или угла рассогласования между рабочими органами.

Потенциометрический датчик (Рисунок 21) состоит из каркаса 1 с обмоткой 2, по которой скользит движок 3. Для съема сигнала с перемещающегося движка служит добавочная щетка 4, скользящая по токосъемному кольцу 5. Выходное напряжение датчика угловых перемещений пропорционально углу поворота подвижной части первичного измерителя, соединенного с осью движка.

Сельсины. Сельсины представляют собой трансформаторы с воздушным зазором, у которых при вращении ротора происходит плавное изменение величины ЭДС, наведенной в обмотке ротора. Обычно сельсины работают в паре: сельсин, связанный с ведомым валом, называют сельсином-приемником, а сельсин, связанный с ведущим валом, - сельсином-датчиком (Рисунок 22).

Однофазная обмотка сельсина расположена на статоре, а трехфазная - на роторе. Трехфазная обмотка состоит из трех катушек, сдвинутых относительно друг друга на 120°. Они уложены в пазы ротора и соединены в звезду. Концы фазовых (1ф, 2ф, Зф) обмоток выведены на три контактных кольца, расположенных на валу ротора.

Датчики скорости создают управляющие сигналы в зависимости от скорости. Более широкое распространение в машиностроении получили описанные ниже датчики.

Рисунок 23 - Схемы датчиков скорости: а) тахогенератора с возбуждением от постоянных магнитов; б) асинхронного тахогенератора

Тахогенераторы служат для измерения частоты вращения. В зависимости от рода тока различают тахогенераторы постоянного и переменного тока. Тахогенераторы постоянного тока разделяют по способу возбуждения на тахогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов (Рисунок 23, а) и с электромагнитным возбуждением. Представляют собой малогабаритную машину постоянного тока. По принципу действия тахогенераторы переменного тока делят на синхронные и асинхронные. Более широкое распространение получили асинхронные тахогенераторы (Рисунок 23, б). Тахогенератор имеет две обмотки: обмотку возбуждения ОВ и выходную обмотку.

Рисунок 24 - Реле контроля скорости

Реле контроля скорости (РКС)

(Рисунок 24) состоит из постоянного магнита 3, который находится на валу (сигнал на входе), а также кольца 4, в котором расположена обмотка типа "беличье колесо".

На другом валу, соединенном с кольцом, расположен толкатель 1, воздействующий на группу контактов К1, К2, которые возвращаются в исходное положение под действием пружин 2 и 5.

При вращении вала РКС вращающийся магнит наводит в обмотке, расположенной в кольце, ЭДС. Ток, протекая по обмотке, взаимодействует с магнитным потоком вращающегося магнита, в результате создается вращающий момент, который, поворачивая кольцо с толкателем, воздействует на контакты и вызывает их срабатывание.

Силовые датчики обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от сил, создаваемых в рабочих органах.

Электромеханические датчики. Один из видов электромеханического силового датчика (Рисунок 25) представляет собой кулачковую муфту 2 со скошенными зубьями, замыкающуюся под действием пружины 5. Одна из полумуфт сидит на валу со скользящей шпонкой. Полумуфта через рычаг 4 воздействует на микропереключатель 1. При возникновении на валу заданных сил сдвинутая полумуфта, воздействуя через рычаг на микровыключатель, вызывает его срабатывание.

Токовое реле (Рисунок 26) состоит из токовой катушки 1, рычага 2 и контактов К1, К2. Токовая катушка включена в цепь электродвигателя, приводящего в движение рабочий орган, сила которого контролируется. При увеличении силы в рабочем органе увеличивается сила тока двигателя, который приводит в движение рабочий орган, это, в свою очередь, вызывает увеличение силы тока в токовой катушке реле, и электромагнитная сила Fэм токовой катушки становится больше, чем сила пружины 3 Fnp (силу пружины устанавливают с помощью регулировочного винта). Произойдет опрокидывание рычага, который, воздействуя на контакты, вызовет их срабатывание.

Тензометрические датчики сопротивления предназначены для определения упругих деформаций деталей машин и конструкций в линейном и плосконапряженном состоянии при воздействии на них статических и динамических нагрузок.

На полосу тонкой прочной бумаги наклеена уложенная зигзагообразно тонкая проволока (Рисунок 27). К концам проволоки с помощью пайки или сварки присоединены выводы из медной фольги, с помощью которых датчик подключен в измерительную цепь. Тензодатчик приклеивают к испытуемой детали, благодаря чему деформацию детали воспринимает проволочная решетка. Длина детали, занимаемая проволокой, называется измерительной базой датчика L.

Пьезоэлектрические датчики для измерения сил представляют собой кварцевую пластину 1 (Рисунок 28). С двух сторон ее напылены или приклеены токопроводящим клеем электроды 2, с которых снимается выходное напряжение.

Два электрода и кварцевый диэлектрик образуют конденсатор, на электродах которого присутствуют электрические заряды, возникающие вследствие пьезоэлектрического эффекта при сжатии кварцевой пластины силой Р.

3. Преобразующие устройства служат для преобразования управляющих и информационных сигналов в устройствах автоматики к виду, удобному для их последующей обработки или фиксации. Преобразующие устройства должны иметь малую инерционность и хорошую согласованность с другими узлами автоматики, достаточно высокое быстродействие.

Реле времени (РВ) обеспечивает при подаче сигнала на вход хвх(t) получение сигналов на выходе хвых (t + T1) ... хвых (t + Tk), разнесенных по времени (сдвинутых на время Т1 - Tk ).

Электронные реле времени. Схема простейшего электронного реле времени показана на рисунке 29. При замыкании управляющего контакта К1 (сигнал на входе) одновременно подается напряжение на базу транзистора VT1 и катушку реле К2.

Так как в начальный момент конденсатор С1 не заряжен, то на базу транзистора подается положительный потенциал через делитель напряжения R1--R2.

Транзистор закрыт и катушка реле отключена (сигнал на выходе). Когда конденсатор начнет заряжаться через цепь С1--R2--К1, отрицательный потенциал конденсатора будет подаваться на базу транзистора и транзистор откроется, вызвав срабатывание реле.

Реле времени двигателя (Рисунок 30) состоит из двигателя М, редуктора Р, барабана Б, на котором расположены кулачки а--е и контакты К1 - К6, установленные напротив кулачков. При подаче сигнала на вход (включение двигателя) барабан начинает вращаться; движущиеся кулачки на барабане воздействуют на контакты, вызывая их срабатывание (сигнал на выходе). Меняя угловое положение кулачков, можно устанавливать время и очередность срабатывания контактов.

Реле счета импульсов (РСИ) выдает сигнал на выходе при поступлении заданного числа сигналов на входе хвх- Необходимость преобразования сигнала часто возникает при создании команды после определенного числа повторяющихся действий (число ходов, операций и т. д.). Электроконтактное РСИ (Рисунок 31) состоит из ручного переключателя SA1, шагового искателя ШИ и реле К1, которое служит для выдачи команды на выходе. С помощью SA1 задается число повторяемых команд. При использовании первой команды замыкается контакт SQ1 (сигнал на входе), и включенная катушка шагового искателя через храповой механизм вызывает перемещение контакта шагового искателя из нулевого в первое положение и т. д. При выполнении заданного числа команд ручным переключателем контакт шагового искателя занимает позицию контакта ручного переключателя. Цепь катушки реле замкнется, реле сработает (сигнал на выходе).

Дешифраторы служат для преобразования кода числа, поступающего на его вход, в управляющий сигнал только на одном из его выходов. Схема простейшего дешифратора, формирующая какой-либо один из четырех управляющих сигналов () (четыре различных адреса), состоит из регистра адреса, построенного на триггере первого (T1), второго (Т2) разрядов, и логических элементов (DD0-DD7). А0--A3 - управляющие сигналы (адреса). Запись и выдача управляющих сигналов происходят по адресу, записанному в регистре.

Реле с герконом (Рисунок 33) представляет собой контактную систему, взаимодействующую с внешним магнитным полем. Геркон 1 (герметический контакт) или герконы размещаются внутри катушки 2 (обмотки) реле. Геркон представляет собой миниатюрную стеклянную трубку 3 (баллон) с впаянными внутри нее двумя контактными пружинами 4 из магнитомягкого ферромагнитного материала (пермаллоя). При подаче тока в обмотку реле возникает магнитный поток, намагничивающий контактные пружины геркона. Между ними возникает электромагнитная сила и контакты замыкаются.

2.2 Схемы включения датчиков

1. Мостовые измерительные схемы

2. Компенсационная и дифференциальная схемы

1. Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса: непосредственной оценки и сравнения.

При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется редко, так как ему свойственны значительные погрешности (особенно при изменении напряжения питания датчика).

Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения.

Мостовые измерительные схемы применяют постоянного и переменного тока. Существуют мостовые схемы уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты не требуют

Уравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, а), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R1 R2, R3, Rt. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением RE и измерительный прибор с сопротивлением Rnp. В четырехугольнике также есть две диагонали, в одну из которых включен миллиамперметр, а в другую - источник тока. Для подстройки моста одно плечо (R3) является переменным сопротивлением.

Закон уравновешенного моста: произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.

R1/R2=R3/Rt.или R1·Rt=R2·R3 [2.3]

Если необходимо вычислить неизвестное сопротивление датчика, то можно включить его в одно из плеч моста, вместо резистора R4· и воспользоваться формулой:

Rt=R2·R3/R1 [2.4]

Ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания:

Inp=U(R1Rt-R2R3)/M [2.5]

Основной характеристикой любой схемы является ее чувствительность. Она определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали ?Inp к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста:

Sсх =?Inp /?R [2.6]

?Inp=U?RRt/M [2.7]

где ?Inp - результирующий ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, A; U - напряжение питания, В; М - входное напряжение, В.

Неуравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, б), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R1 R2, R3, R5, Rt. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением RE и измерительный прибор с сопротивлением Rnp. Для подстройки моста одно плечо (R5) является переменным сопротивлением.

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

а)

Рисунок 34 - Мостовые измерительные схемы а) уравновешенная;

б) неуравновешенная

В качестве измерительного прибора в неуравновешенных мостах используются амперметры (так как токи невелики, то обычно мили- и микроамперметры). Неуравновешенный мост подчиняется тем же законам, что и уравновешенный.

2. Компенсационные схемы используют для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение.

Сигнал датчика сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемым потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически.

Компенсационная схема с ручным уравновешиванием, представлена на рисунке 35, а.

Измеряемая ЭДС Ех или напряжение Uх уравновешиваются напряжением Uк ,снимаемым с резистора Rк , представляющего собой часть резистора R. Все сопротивление резистора R включено в цепь источника питания с ЭДС Е.

Схема состоит из двух прямоугольников В нижней части находится датчик, имеющий сопротивление

Rд.

Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста.

В состав схемы включен прибор, называемый нуль - индикатором (НИ), который служит для определения нулевого значения тока после компенсации.

Для поддержания стабильного тока питания I можно использовать регулировочный резистор

Rрег

и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения как в автоматическом потенциометре (Рисунок 35, б)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 35 - Компенсационные измерительные схемы: а) с ручным уравновешиванием; б) с автоматическим уравновешиванием

Ток через прибор:

Iпр =(Uх-Uк )/(Rд +Rк+Rпр ), [2.8]

где Rд- сопротивление датчика,

Rк - сопротивление резистора, Rпр- сопротивление прибора,

Uк - компенсирующее напряжение,

Uх - измеряемое напряжение.

Чувствительность компенсационной схемы можно определить как отношение приращение тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения:

Sсх =?Inp /?Uх [2.9]

?Inp=?Uх/(Rаб+Rпр+Rд), [2.10]

Rаб - внутреннее сопротивление электрической цепи питания,

[2.11]

Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Дифференциальная схема - это гибрид мостовой и компенсационной схем. Состоит из двух смежных контуров с источником питания, а измерительный прибор включен в общую ветвь контуров и реагирует на разность контурных токов. В дифференциальной схеме могут быть использованы параметрические (с изменяющимся сопротивлением) и генераторные (с изменяющейся ЭДС) датчики.

Дифференциальная схема включения параметрических датчиков показаны на рисунке 36, а (датчик включен в один контур). Дифференциальная схема включения генераторного датчика показана на рисунке 36, б. В этой схеме датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор.

Для расчета токов в дифференциальной схеме используют метод наложения: сначала определяют токи от одной ЭДС, а затем от другой.

Изменение тока через прибор будет рассчитываться:

, [2.12]

где Iпр/ - ток через прибор при включении параметрических датчиков в один контур

I// - ток через прибор при включении параметрических датчиков в оба контура

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 36 - Дифференциальные схемы включения: а) параметрических датчиков; б) генераторных

Чувствительность дифференциальной схемы определяется аналогично предыдущим схемам эмпирически, путем подстановки опытных данных

Ток в измерительной цепи мостовых и дифференциальных схем зависит от напряжения питания. Колебания напряжения питания приводят к появлению погрешности, так как ток через прибор и отклонение его стрелки изменяются даже при неизменном сопротивлении датчика.



Раздел 3. Системы управления технологическим оборудованием

3.1 Классификация систем управления оборудованием

1. Разновидности систем управления технологическим оборудованием

2. Особенности и характеристики систем управления

3. Структура систем управления оборудованием

1. Управление - это целенаправленное воздействие на какой-либо объект или протекающий процесс с целью качественного или количественного изменения параметров и достижения определенных целей.

Всякое управление технологическим объектом включает в себя следующие компоненты:

- сбор первичных сведений об управляемом объекте (сведения об изделии, оборудовании и приемах обработки, записанные в УП), вторичных сведений (сведения, полученные во время управления)

- обработку полученных сведений (выполнение необходимых расчетов, анализ данных, проверка условий и т.д.);

- выводы и принятие необходимых решений;

- обеспечение управляющих воздействий.

УЧПУ наиболее полно и эффективно реализует все компоненты автоматического управления. ЧПУ придает технологическому оборудованию гибкость, так как перестройка его на новый вид технологического процесса, изделий сводится к переналадке оборудования и загрузке УЧПУ новыми управляющими программами с перезаписью новых параметров в массивы данных.

Классификация СУТО.

* По структуре: одноступенчатая и двухступенчатая.

Одноступенчатая - центральный диспетчерский пункт (ЦДП) имеет непосредственные линии связи и каналы телемеханики со всеми объектами и комплексами производства.

Двухступенчатая - связь осуществляется через промежуточные пункты (операторские или диспетчерские).

* По характеру использования:

для оперативного вмешательства в ход процесса;

для совершенствования организации управления;

для создания новых схем и конструкций, совершенствования машин и комплексов.

* По степени централизации:

1. централизованные (характеризуются наличием в системе единого командоаппарата, с помощью которого осуществляется управляющее воздействие на рабочие органы станка, определяющие требуемую последовательность, скорость, подачу, величину перемещений.)

Преимущества - компактность, малопротяженность линий связи.

Недостатки - значительные затраты на переоборудование из-за изменения конструкции командоаппарата.

Пример: коленвал токарно-револьверного станка;

2. децентрализованные (характеризуются отсутствием командоаппарата, управляющее воздействие формируется каждым отдельным рабочим органом, с помощью упоров и путевых выключателей). Все операции в таких системах выполняются последовательно.

Преимущества - возможность организации управления значительным количеством объектов; исключение последующих сигналов при невыполнении предыдущих, быстрое перерегулирование.

Недостатки - большая протяженность линий связи (увеличение погрешности), из-за регулировки и переустановки упоров значительные затраты времени.

Пример: робототехнический комплекс (РТК) следящего привода.

* По управлению движением:

1. путевые (управление по положению с помощью путевых выключателей, упоров, кулачков);

2. командные (управление по времени с помощью командоаппаратов и ПМК);

* По типу программоносителя: магнитные ленты и диски; перфокарты и перфоленты; ЛВС - локально-вычислительные сети; копиры и шаблоны; кулачки и маховые механизмы.

* По элементной базе: электрические; механические; гидравлические и пневматические.

2. Задачи СУТО: 1) Обеспечение требуемых действий исполнительных механизмов.

2) Обеспечение заданных режимов.

3) Обеспечение требуемых параметров объекта производства.

4) Выполнение вспомогательных параметров.

Требования.

1) Обеспечение высокой мобильности.

2) Обеспечение выполнения сложных задач функционирования.

3) Простота конструкции и низкая себестоимость.

4) Возможность дистанционного управления.

5) Возможность саморегулирования.

Команды СУТО.

- Технологические - предусмотренные техпроцессом.

- Цикловые - изменение параметров, инструмента, СОЖ, реверс.

- Служебные - выполняемые с помощью логических операций.

Классификация систем, по характеру информации записанной на программоносителе; системы непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные.

В непрерывных системах программа записывается непрерывно. Если применяется система с фазовой модуляцией, то программа представляется синусоидальным напряжением, фаза которого пропорциональна программируемым перемещениям; в системах с амплитудной модуляцией перемещениям пропорциональна амплитуда этого напряжения.

Таблица 1 - Примеры применения СУТО

Обозначение	Определение
Рус.	Межд.
СУ		Следящие системы (цикловые, копировальные)
ЧПУ	NC	Числовое программное управление по программе, заданной в кодированном виде
ОСУ	HNC	Оперативная система ЧПУ с ручным заданием программы на пульте управления
Компьютерное ЧПУ	CNC	Система управления с микроЭВМ или микропроцессором и программной реализацией алгоритмов
-	DNC	Система программного управления группой станков от общей ЭВМ, осуществляющей хранение и распределение программ по запросам от устройств управления станком
-	PC	Персональная или профессиональная ЭВМ
ПК	PLC	Программируемый командоаппарат - устройство для выполнения логических функций, в том числе и релейной автоматики. Может входить в состав ЧПУ
ЛВС	LAN	Локальная вычислительная сеть
-	MAP	Промышленный автоматизированный протокол ЛВС
АДУ	AC	Адаптивное управление режимами резания или компенсацией погрешностей. Может выполняться алгоритмически в системе ЧПУ

В дискретных (импульсных) системах информация о перемещениях задается соответствующим числом импульсов. Если механизм перемещения оснащен датчиком импульсов и для учета перемещения используется счетная схема, то систему называют счетно-импульсной. Если исполнительным устройством является шаговый двигатель, то систему называют шагово-импульсной.

В импульсно-фазовых устройствах ЧПУ суммирование импульсов, задаваемых программой, производится в фазовом преобразователе, выходной, сигнал которого в виде угла сдвига фазы переменного напряжения пропорционален количеству импульсов программы.

Классификация систем по изменению режимов обработки системы ЧПУ

По изменению режимов обработки системы ЧПУ подразделяются на цикловые, программные и адаптивные.

Цикловые системы осуществляют движения с повторяющимися циклами. В них применяется кулачковое, аппаратное, микропрограммное и программируемое управления. При кулачковом управлении используют для задания режимов штекерные панели, аппаратное управление осуществляют при помощи релейно-контактной или бесконтактной аппаратуры. Для микропрограммного управления применяют запоминающие устройства микрокоманд, а программируемое управление режимами обработки основано на использовании средств программируемой логики.

В программных системах ЧПУ изменение режимов обработки осуществляется программными средствами с использованием программоносителя или памяти ЭВМ.

Применение адаптивного управления позволяет производить автоматическое изменение режима обработки независимо от программы.

Числовое программное управление обеспечивает управление по нескольким координатам, поэтому его широко применяют на многооперационных станках (обрабатывающих центрах) с автоматической сменой инструмента и обрабатываемых деталей.

3. Все СУТО включают в себя следующие узлы (Рисунок 37): считывающее устройство, предназначенное для ввода управляющей программы с программоносителя (СУ); пульта ввода (ПВ); который предназначен для ввода управляющей программы с помощью клавиатуры, а также для назначения режимов работы, подачи разовых команд и индикации контроля состояния устройства; узла ввода (УВв), обеспечивающего выбор режима ввода, режима управления станком и устройством, вызов автоматических циклов по специальной команде G80 с встраиванием в циклы фактических параметров, управление лентопротяжным механизмом в старт-стопном режиме во время отработке управляющей программы (УП) и управление перемоткой ленты в начало программы, расшифровку адресов команд, временное хранение их содержимого и ввод в соответствующие регистры памяти содержимого команд по расшифрованному адресу. Кроме того, данное устройство управляет лентопротяжным механизмом во время поиска кадра N, заданного на переключателе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 37- Структурная схема типового позиционного УЧПУ

Пульт коррекции (ПК) предназначен для набора и хранения коррекции по предусмотренным адресам. Узел коррекции (УК) обеспечивает последовательное считывание цифровой информации, установленной на переключателях, ввод считываемой информации с нормализацией по запросам в УП в соответствующие адреса (адреса инструментов или координат).

Пульт индикации (ПИ) обеспечивает индикацию информации на экране по задействованным адресам (построчно или по страницам) и представляет собой лучевую трубку, в левой части которой растровые строки индицируют действительное положение рабочих органов, а в правой части - заданные значения в УП. Пульт индикации может работать в рабочем и проверочном (без отработки) режимах, что дает возможность получить необходимую информацию. Пульт индикации вместе с пультом ввода является видеомонитором.

Узел скорости (УС) обеспечивает управление скоростями по действующим координатам, управление торможением и выбором направления движения.

Узел оперативной памяти (УОП) имеет память для хранения вводимой информации и информации результатов вычислений во время обработки. Кроме того, УОП имеет ПЗУ для хранения состава автоматических циклов с адресами. G81 - G89.

...